STM32实战项目：从零打造GPS蓝牙自行车码表，掌握传感器、蓝牙、Flash存储等核心技术

一、 引言

骑行，作为一项绿色健康的运动方式，越来越受到人们的喜爱。而记录骑行数据，分析速度、里程等信息，则成为了许多骑行爱好者的追求。本篇文章将带你使用STM32单片机，DIY一款功能完备的自行车码表，记录你的每一次骑行轨迹！

二、 功能概述

本项目将实现以下功能：

• 实时速度显示： 利用霍尔传感器采集车轮转速，计算并显示实时速度。
• 里程统计： 记录单次和总里程，方便用户了解骑行距离。
• 骑行时间记录： 记录单次骑行时间，方便用户掌握运动量。
• 轨迹记录： 利用GPS模块获取经纬度信息，记录骑行轨迹，并在手机APP上进行查看。
• 数据存储： 将骑行数据存储到外部Flash芯片，方便用户后续查看和分析。
• LCD显示： 使用LCD屏幕实时显示速度、里程、时间等信息。
• 蓝牙传输： 通过蓝牙模块将骑行数据传输至手机APP，实现更丰富的功能和数据分析。

三、 系统设计

3.1 硬件设计

本项目硬件部分主要由以下模块组成：

• 主控芯片： STM32F103C8T6，性价比高，性能满足项目需求。
• 霍尔传感器： 用于检测车轮转速，可选择磁铁+霍尔传感器组合或一体式霍尔传感器。
• GPS模块： 用于获取经纬度信息，记录骑行轨迹，可以选择支持GPS+北斗双模的模块，提高定位精度。
• LCD显示屏： 用于显示速度、里程、时间等骑行数据，可以选择1602、OLED等类型。
• 蓝牙模块： 用于与手机APP进行数据传输，可以选择HC-05、HM-10等蓝牙2.0模块，或CC2540、nRF51822等蓝牙4.0/BLE模块。
• 外部Flash： 用于存储骑行数据，可以选择SPI接口的Flash芯片，容量根据需求选择。
• 电源模块： 为整个系统提供电源，可以使用锂电池供电，并设计充电电路。

3.2 软件设计

软件部分主要包括以下几个模块：

• 传感器数据采集： 通过定时器中断读取霍尔传感器数据，计算车轮转速。
• 数据处理： 对传感器数据进行滤波处理，计算实时速度、里程等信息。
• 显示控制： 将处理后的数据格式化输出到LCD屏幕上。
• 蓝牙通信： 通过蓝牙模块与手机APP进行数据交互，发送实时数据和接收控制指令。
• 数据存储： 将骑行数据存储到外部Flash芯片，方便用户后续查看和分析。

四、 软件实现

本项目的软件部分基于STM32标准库进行开发，核心代码使用C语言编写，并结合STM32CubeMX进行初始化配置，简化开发流程。

4.1 霍尔传感器数据采集

霍尔传感器用于检测车轮转动，每次磁铁经过传感器时，会产生一个脉冲信号。我们利用STM32的定时器中断来捕捉这个脉冲信号，并计算车轮转速。

// 定时器中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void)
{
  if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) // 判断定时器更新中断
  {
    // 读取霍尔传感器状态
    sensor_state = GPIO_ReadInputDataBit(SENSOR_GPIO_PORT, SENSOR_GPIO_PIN);

    // 判断上升沿，计算脉冲个数
    if (sensor_state == SET && last_sensor_state == RESET) 
    {
      pulse_count++; 

      // 计算时间差
      current_time = TIM_GetCounter(TIM2);
      time_diff = current_time - last_time;
      last_time = current_time;

      // 计算速度，避免除零错误
      if (time_diff > 0) 
      {
        speed = (WHEEL_CIRCUMFERENCE * 3600.0) / (time_diff * TIM2_PRESCALER); // 单位：km/h
      }
    }

    last_sensor_state = sensor_state;
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); // 清除中断标志位
  }
}

在定时器中断服务函数中，我们首先读取霍尔传感器的状态。如果检测到上升沿，则认为车轮转动一圈，脉冲计数加一。同时，我们记录当前时间和上次时间，计算时间差，并根据预设的车轮周长和定时器预分频系数计算出实时速度。

4.2 数据处理

为了提高数据准确性，我们需要对原始的传感器数据进行滤波处理，去除噪声干扰。同时，我们还需要根据速度计算里程，并进行其他数据统计。

// 数据处理函数
void data_process(void)
{
  // 使用滑动平均滤波器对速度进行滤波
  filtered_speed = (int)(0.9 * filtered_speed + 0.1 * speed); 

  // 计算里程，单位：km
  distance += (float)filtered_speed * TIME_INTERVAL / 3600.0; 

  // ...其他数据处理，如时间统计、最大速度记录等
}

这里我们使用简单的滑动平均滤波器对速度进行平滑处理。当然，你也可以根据实际情况选择其他滤波算法，例如卡尔曼滤波等。

4.3 显示控制

为了直观地显示骑行数据，我们使用LCD屏幕进行实时显示。

// LCD显示函数
void display_data(void)
{
  // 清屏
  LCD_Clear(Black);

  // 显示速度
  LCD_SetCursor(0, 0);
  LCD_Printf("Speed: %2d.%d km/h", (int)filtered_speed, (int)(filtered_speed * 10) % 10);

  // 显示里程
  LCD_SetCursor(0, 1);
  LCD_Printf("Dist: %d.%d km", (int)distance, (int)(distance * 10) % 10);

  // ...显示其他数据，如时间、平均速度等
}

在LCD显示函数中，我们首先清屏，然后使用LCD库函数将速度、里程等信息格式化输出到LCD屏幕上。

4.4 蓝牙通信

为了实现更丰富的功能，例如数据记录、轨迹显示等，我们可以使用蓝牙模块将骑行数据传输到手机APP。

// 蓝牙数据发送函数
void bluetooth_send_data(void)
{
  // 数据打包
  uint8_t data_packet[PACKET_SIZE];
  data_packet[0] = 0xAA; // 数据头
  data_packet[1] = (uint8_t)(filtered_speed >> 8);
  data_packet[2] = (uint8_t)filtered_speed;
  // ...打包其他数据，如里程、时间等

  // 通过蓝牙发送数据
  HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, data_packet, sizeof(data_packet)); 
}

在蓝牙数据发送函数中，我们首先定义一个数据包，将需要发送的数据按照一定的协议格式进行打包。这里我们使用了简单的协议，数据包开头为固定的数据头，后面跟着各个数据项。数据打包完成后，我们使用HAL库函数 HAL_UART_Transmit_DMA 将数据通过蓝牙模块发送出去。

4.5 数据存储

为了保存骑行数据，方便用户后续查看和分析，我们可以使用外部Flash芯片进行数据存储。

// 数据存储函数
void data_store(void)
{
  // 将骑行数据写入Flash
  uint32_t address = FLASH_START_ADDR + data_counter * sizeof(RideData);

  RideData data;
  data.speed = filtered_speed;
  data.distance = distance;
  // ...存储其他数据

  // 使用HAL库函数将数据写入Flash
  if (HAL_FLASH_Unlock() == HAL_OK)
  {
    if (HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, address, (uint32_t *)&data, sizeof(RideData)/4) == HAL_OK)
    {
      data_counter++; // 数据计数加一
      HAL_FLASH_Lock();
    }
    else
    {
      // 处理写入错误
    }
  }
  else
  {
    // 处理解锁错误
  }
}

在数据存储函数中，我们首先定义一个结构体 RideData 用于存储一次骑行的数据，例如速度、里程、时间等。然后，我们使用HAL库函数 HAL_FLASH_Unlock 解锁Flash，使用 HAL_FLASH_Program 将数据写入指定地址，最后使用 HAL_FLASH_Lock 锁定Flash。

五、 手机APP设计

为了更方便地查看和分析骑行数据，我们可以开发配套的手机APP。APP可以通过蓝牙接收码表发送的数据，并实现以下功能：

• 实时数据显示： 实时显示速度、里程、时间、轨迹等信息。
• 历史数据查看： 查看历史骑行记录，并进行数据分析。
• 轨迹地图显示： 在地图上显示骑行轨迹，并可以分享到社交平台。
• 设置参数： 设置车轮周长、时间格式等参数。

手机APP的开发可以使用Java、Kotlin、Swift等语言，并选择合适的蓝牙库进行开发。

六、 总结

本文介绍了基于STM32的自行车码表的设计与实现，涵盖了硬件设计、软件实现、手机APP设计等方面。通过本项目的学习，可以掌握STM32单片机开发、传感器应用、蓝牙通信、数据存储等知识。当然，你也可以根据自己的需求，扩展更多功能，例如心率监测、踏频测量、导航等，打造一款功能更强大的智能自行车码表！

相关知识点链接

• STM32开发:
  • STM32官方网站
  • STM32CubeMX
  • STM32 HAL库
• 蓝牙:
  • 蓝牙协议栈
  • 你所选蓝牙模块的AT指令集文档